經(jīng)濟(jì)觀察報(bào) 記者 李靖恒 “人的存在和動物的存在不一樣，他能夠思考。”中國工程院院士李培根在深圳華中科技大學(xué)研究院舉辦的公益講座上說。而這場演講的主題是“智能裝備：魂之安在。”

李培根在演講中，介紹了目前智能裝備的關(guān)鍵要素，以前的機(jī)器裝備可以把它看成是一個(gè)實(shí)體，有的自動化程度很高，但是沒有自我感知、自我意識，“在數(shù)字智能時(shí)代，裝備機(jī)器跟以前的有什么不一樣？他不僅僅有感知，還有意識，能自主地運(yùn)動。所以在某種意義上講，數(shù)字智能時(shí)代的裝備和以前的裝備是不一樣的。”

李培根認(rèn)為，可以把數(shù)字智能時(shí)代的智能裝備看成是一個(gè)物理生命體，而以前的機(jī)器裝備是一個(gè)物理實(shí)體。區(qū)別在于，現(xiàn)在的數(shù)字智能裝備在它的全生命周期中間伴有數(shù)字化模型，包括在他的開發(fā)、使用運(yùn)行的整個(gè)過程中。這種數(shù)字化模型被稱為數(shù)字孿生體。

“數(shù)據(jù)是物理生命體的血液，數(shù)據(jù)及智能賦予物理實(shí)體‘生命’；實(shí)際上，數(shù)字孿生體也就是智能裝備之魂。”李培根說。

場景中學(xué)習(xí)

李培根總結(jié)，機(jī)器人1.0就是一般的自動化，比如很多就在裝配線上得以實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人2.0使用的是數(shù)字化的技術(shù)，可以收集數(shù)據(jù)。機(jī)器人3.0就是希望機(jī)器人能夠協(xié)作。機(jī)器人4.0就是可以自主服務(wù)，要求相對較高，這里面包括場景自適應(yīng)，比如怎么適應(yīng)開放的環(huán)境。

比如，波士頓動力公司準(zhǔn)備發(fā)布其首款面向開放世界的商用四足機(jī)器人Spot，可以在開放世界環(huán)境中運(yùn)行，在崎嶇的地形上保持平衡，并可以自行在已繪圖區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)航。這使得在城市街道、大學(xué)校園和建筑工地應(yīng)用機(jī)器人成為可能。這種機(jī)器人不再局限于企業(yè)內(nèi)部，可以應(yīng)對各種操作條件、人口稠密的空間甚至其他自動化設(shè)備。

李培根介紹，現(xiàn)在的機(jī)器人通過身上各種傳感器感知真實(shí)物理世界，并對物理世界進(jìn)行三維重建，形成三維環(huán)境的高精度語義地圖，讓機(jī)器人真正理解當(dāng)前的物理世界以及客觀物體之間的關(guān)系。

三維語義地圖同時(shí)也構(gòu)建了機(jī)器人數(shù)字孿生運(yùn)行的虛擬物理空間，可以持續(xù)不斷地模擬和訓(xùn)練各種智能機(jī)器人的智能能力。這種云端機(jī)器人“大腦”可支持同時(shí)為百萬級實(shí)體機(jī)器人提供云端智能服務(wù)，幫助機(jī)器人理解世界。

相應(yīng)地，為了支持機(jī)器人的移動、避障、交互和操作，需要為機(jī)器人裝備多種傳感器，如攝像頭、麥克風(fēng)列傳、激光雷達(dá)、超聲波。傳感器收集到的大部分?jǐn)?shù)據(jù)需在時(shí)間同步前提下進(jìn)行處理。而其中沒有強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求的感知任務(wù)可以由云計(jì)算支持，比如人的行為識別、場景識別等。

李培根舉例展示了隧道智能裝備如何感知環(huán)境。“機(jī)器人在隧道里面打洞時(shí)，山洞不同部位的地質(zhì)情況會發(fā)生變化，需要我們在工作時(shí)收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)改變某些參數(shù)，這就需要機(jī)器能夠自動判斷。”

李培根進(jìn)一步表示，這些智能裝備可以自己在環(huán)境中學(xué)習(xí)。“它做的事情越多，經(jīng)驗(yàn)也越多。在施工運(yùn)行的環(huán)境中，機(jī)器可以從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一些潛藏規(guī)律，裝備會變得越來越聰明。復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)中很多相互關(guān)聯(lián)的因素，往往連專家們也難以意識到，基于大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)方法能夠發(fā)現(xiàn)那些隱藏的關(guān)聯(lián)。”“具有學(xué)習(xí)能力的孿生模型，能夠使物理裝備變得越來越聰明，也是物理生命體最重要的‘自我意識’。”李培根說，智能裝備通過實(shí)時(shí)采集運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)而建立起來數(shù)字孿生模型，這是裝備能夠自我意識、自己適應(yīng)環(huán)境變化的關(guān)鍵。這種“生命”的過程總是在特定的環(huán)境中，與伙伴、裝備服務(wù)的對象、操作者等聯(lián)系在一起。

例如，在早期，企業(yè)里的機(jī)器人只能根據(jù)磁條路線定位，沿著固定的路線走，現(xiàn)在則是地圖定位，這就需要自主移動機(jī)器人對場景收集孿生數(shù)據(jù)。這種自主移動的機(jī)器人，通過掃描作業(yè)環(huán)境并自主更新地圖，因此無需輔助固定信標(biāo)，對工作場地幾乎沒有改造需求。

自主移動的機(jī)器人技術(shù)融合了激光雷達(dá)、深度攝像頭、超聲波雷達(dá)等多項(xiàng)感知技術(shù)，可全面感知周圍環(huán)境，擁有智能的決策能力，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境中靈活、自主的避讓、協(xié)同，非常適合部署在復(fù)雜動態(tài)的生產(chǎn)場景中。

李培根進(jìn)一步介紹，復(fù)雜系統(tǒng)是多領(lǐng)域物理的綜合集成系統(tǒng)，如機(jī)械、力、熱，液壓、電等。而裝備數(shù)字孿生模型可能含有反映產(chǎn)品不同物理特性的模型，如計(jì)算機(jī)流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、熱力學(xué)、應(yīng)力分析、疲勞損傷以及材料狀態(tài)演化等。將基于不同物理屬性的模型關(guān)聯(lián)在一起，是建立數(shù)字孿生、繼而充分發(fā)揮其模擬、診斷、預(yù)測和控制作用的關(guān)鍵。

“現(xiàn)在我們數(shù)字化的能力，可以對多物理多領(lǐng)域的這些參數(shù)進(jìn)行綜合分析。一個(gè)機(jī)器涉及到很多的部件，就像一個(gè)人有心臟肺肝臟。對每個(gè)器官可以建立相應(yīng)的數(shù)字孿生模型。”李培根說。

動態(tài)數(shù)據(jù)：從汽車到城市

李培根認(rèn)為，在數(shù)字智能工程中，重要的是追尋“物理生命體”的存在，而非物理實(shí)體固定、僵化的存在。

“數(shù)字孿生的意義，本來就不是基于處理靜態(tài)問題，產(chǎn)品的運(yùn)行過程都是動態(tài)的過程。對動態(tài)問題的認(rèn)識并施加相應(yīng)控制，這才是數(shù)字孿生的重要意義所在。比如，對激光加工機(jī)運(yùn)行過程的數(shù)字孿生模型進(jìn)行分析，反過來控制激光機(jī)的運(yùn)行。”李培根認(rèn)為，“我們不是為了收集數(shù)據(jù)而收集，收集到這些孿生數(shù)據(jù)后，可以就數(shù)字孿生模型進(jìn)行仿真。我們很早以前就有這個(gè)所謂虛擬樣機(jī)，就是這個(gè)實(shí)物設(shè)備還沒有出來的時(shí)候，在計(jì)算機(jī)上面就可以仿真出這個(gè)設(shè)備。

但以前的虛擬樣機(jī)和機(jī)器裝備不是共生的。共生意味著機(jī)器在運(yùn)行過程中，不斷影響數(shù)字孿生模型；反過來，孿生模型也可以不斷影響機(jī)器裝備的行為。這是以前虛擬樣機(jī)所不具備的功能。

例如，前段時(shí)間的特斯拉“車頂維權(quán)”事件，特斯拉公布車輛發(fā)生事故前30分鐘的數(shù)據(jù)。車輛記錄下了車數(shù)、制動行為、制動主缸壓力等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。可以看出，特斯拉對每一個(gè)出售車輛都建立了數(shù)字孿生體。

因此，過程孿生不只針對產(chǎn)品，還針對使用者。對于非自動駕駛模式，除了車的數(shù)字孿生模型，還需建立駕駛者的數(shù)字模型，以便在困難情況下基于特定的駕駛者行為反應(yīng)，使駕車效果進(jìn)一步微調(diào)。而且，在汽車新產(chǎn)品開發(fā)中，通過正在運(yùn)行的汽車得到的數(shù)據(jù)去模擬汽車性能和駕駛者反應(yīng)，可以評估設(shè)計(jì)效果。

另外，李培根進(jìn)一步介紹，還有汽車制造里面的焊接和噴涂，這是汽車四大核心的制造工藝，一條產(chǎn)線上集成了眾多數(shù)量的機(jī)器人。機(jī)器的健康程度在逐漸發(fā)生細(xì)微的變化，當(dāng)某個(gè)機(jī)器人的行為姿態(tài)或信號傳輸出現(xiàn)了公差，那么出現(xiàn)的誤差可能形成累計(jì)效應(yīng)，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的產(chǎn)品有很大的質(zhì)量隱患，而這種隱患往往無法立刻用肉眼能發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)在普遍的產(chǎn)品質(zhì)量檢測，是以產(chǎn)線末端的人工抽檢為主，提高檢測率就需要投入更多人力成本。一條穩(wěn)定的產(chǎn)線也許一年發(fā)生的質(zhì)量事故不多，一旦發(fā)生就損失慘重。然而工藝智能的應(yīng)用，可以通過高速數(shù)據(jù)采集和檢測，快速發(fā)現(xiàn)問題并讓損失減少至最小生產(chǎn)批次內(nèi)。

除了汽車領(lǐng)域，現(xiàn)實(shí)生活中，數(shù)字孿生還能被哪些場景所應(yīng)用？

科大訊飛（002230.SZ）董事秘書辦相關(guān)人員告訴記者，目前他們研發(fā)的智慧城市項(xiàng)目，正在運(yùn)用人工智能的技術(shù)，為城市構(gòu)建“大腦”。科大訊飛是國內(nèi)一家專注從事人工智能的企業(yè)。目前，“城市超腦”技術(shù)，通過收集城市的現(xiàn)實(shí)、歷史、時(shí)間和空間的數(shù)據(jù)，利用人工智能學(xué)習(xí)行業(yè)知識、發(fā)掘數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，并對城市進(jìn)行系統(tǒng)性理解、即時(shí)分析和模擬仿真。

“這個(gè)系統(tǒng)能夠幫助城市管理者，更精細(xì)地了解城市的具體狀況，提出具體解決方案。比如在交通領(lǐng)域，每天有早高峰晚高峰，不同路段的人流密度也不一樣。通過城市超腦系統(tǒng)，可以對交通的一些信號路口時(shí)間的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化。在司法領(lǐng)域，我們推出了24小時(shí)警務(wù)服務(wù)系統(tǒng)，通過技術(shù)幫助刑偵破案。”該人士表示。

據(jù)悉，科大訊飛幫助銅陵市建設(shè)的“銅陵城市超腦”，還入選《城市大腦全球標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告（2020）》，成為全球僅有的6個(gè)入選典型案例。

另外，科大訊飛推出的智慧醫(yī)療，正在幫助全國的基層醫(yī)療進(jìn)行診斷。“我們把全國各地的病例匯集到這個(gè)系統(tǒng)中，讓機(jī)器自己學(xué)習(xí)怎么看病。如果把病人的一些基本信息輸入到助理系統(tǒng)中，助理就會自動做出判別。我們已經(jīng)在全國100多個(gè)縣市推行了這個(gè)系統(tǒng)。”該人士說。